U-boot中自動檢測內(nèi)存容量機制的設計

(杭州電子科技大學微電子CAD研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

U-boot是目前被廣泛采用并支持數(shù)十種cpu 架構和400 多種開發(fā)板的開源系統(tǒng)[1]，被許多學者和公司用于研究和學習，并添加自己編寫的代碼到u-boot中，如輕量級安全TFTP 協(xié)議的研究[2]。但是U-boot 只是給具體架構的cpu 編寫配置內(nèi)存代碼，無法判斷內(nèi)存的大小配置是否正確，不具備自動檢測系統(tǒng)內(nèi)存容量的機制。由于不同的系統(tǒng)所使用的內(nèi)存不同，而大多數(shù)系統(tǒng)的解決辦法是在U-boot中配置適合自己系統(tǒng)的這一型號的內(nèi)存。有的在cpu_init.S 文件中增加了適合TQ6410系統(tǒng)的內(nèi)存識別功能和合適的配置，并沒有介紹在不知內(nèi)存容量的情況下是如何獲得內(nèi)存容量[3]。有的介紹了內(nèi)存的分布，卻沒有實現(xiàn)在不同內(nèi)存容量的條件下U-boot 還能運行的功能[4]。如果將這些U-boot 用到其他不同內(nèi)存的系統(tǒng)中就無法工作，這導致對U-boot 移植的難度增加了，同時也增加了開發(fā)時間并降低了應用的廣泛度，基于這一背景，本文介紹了一種自動檢測內(nèi)存容量的機制，根據(jù)檢測的結果重新配置參數(shù)，實現(xiàn)了在不同內(nèi)存的系統(tǒng)中都可以正常運行和引導操作系統(tǒng)的功能。

1 自動檢測內(nèi)存容量的方法

目前絕大多數(shù)處理器包括arm系列支持外接兩片16/32位的存儲器。處理器上電后，初始化內(nèi)存控制器，外設存儲器就會映射到處理器內(nèi)部邏輯空間。自動檢測內(nèi)存容量機制是先假定一個實際內(nèi)存大小，然后根據(jù)這一假設進行內(nèi)存控制器的配置，接著對存儲空間進行訪問，根據(jù)反饋的信息驗證假設是否成立，如果不成立進行下一個假設，直至假設成立。本文以三星S3C6410為例進行說明，S3C6410支持兩片外接16/32位的存儲器，最大內(nèi)存為256 MB。首先假設內(nèi)存是256 MB，并配置DRAM控制器為256 MB 內(nèi)存的參數(shù)。如果內(nèi)存是128 MB，會出現(xiàn)一種現(xiàn)象:由于XM1_ADDR[13]沒有連接，DDR內(nèi)存的第1個32 MB和第2個32 MB 存儲的內(nèi)容對應相同，第3個32 MB和第4個32 MB 存儲的內(nèi)容對應也是相同，根據(jù)這一現(xiàn)象可以推斷，一共有2 對相同大小的存儲空間的內(nèi)容互相對應相同。如果內(nèi)存容量是64 MB，也會有類似的現(xiàn)象:DDR 內(nèi)存的第1個16 MB、第2個16 MB、第3個16 MB和第4個16 MB 存儲的內(nèi)容對應是相同的;第5個16 MB、第6個16 MB、第7個16 MB和第8個16 MB 存儲的內(nèi)容對應也是相同的，也是2 對相同大小的存儲空間的內(nèi)容互相對應相同。如果XM1_ADDR[13]位連接，內(nèi)存是256 MB 容量時，沒有出現(xiàn)大段內(nèi)容互相相同的現(xiàn)象。驗證這種現(xiàn)象，便能檢測出連接的內(nèi)存容量。以128 MB的內(nèi)存為例，在U-boot中向內(nèi)存的第1個32 MB的0x0 地址寫一個32 bit的特殊數(shù)據(jù)0xdeadbeef，接著讀取第2個32 MB 對應的偏移內(nèi)存地址的內(nèi)容，假如讀取的數(shù)據(jù)和寫的數(shù)據(jù)相同，便說明這兩個內(nèi)存段對應的內(nèi)容相同。為了避免特殊性(這兩個地址的數(shù)據(jù)本身就是一樣的)，向第2個32 MB的同一地址處寫入另一個數(shù)據(jù)0xbeefdead，接著讀取第1個32 MB 對應的偏移內(nèi)存地址的內(nèi)容，假如讀寫的數(shù)據(jù)相同，便證明這兩個內(nèi)存段對應的內(nèi)容相同。

2 自動檢測內(nèi)存容量機制的實現(xiàn)

對于OK6410，128 MB 內(nèi)存用的是兩片K4X51163PC 芯片構成一個128 MB的內(nèi)存;256 MB 內(nèi)存用的是兩片K4X1G163PC 芯片構成一個256 MB的內(nèi)存。地址線連接如下:

1)128MB 容量的內(nèi)存。XM1_ADDR[15∶14]([ba1∶ba0]):XM1_ADDR[12∶0](row addr):XM1_ADDR[9∶0](column addr)。XM1_ADDR[15∶14]是芯片選擇位，與13位行地址和10位列地址組成尋址為128 MB的內(nèi)存;

2)256MB 容量的內(nèi)存。XM1_ADDR[15∶14]([ba1∶ba0]):XM1_ADDR[13∶0](行地址):XM1_ADDR[9∶0](列地址)。XM1_ADDR[15∶14]也是是芯片選擇位，與14位行地址和10位列地址組成尋址為256 MB的內(nèi)存;

內(nèi)存映射后，如果檢測的結果和假設的不同，則要對S3C6410的內(nèi)存控制器進行重新配置。配置程序要放在啟動代碼的前4 kB(cpu 片上內(nèi)存)中，不能放在DDR中，因為內(nèi)存控制器重新配置后會使得內(nèi)存無法正常運行。所以配置程序必須存儲在U-boot 把自己復制到內(nèi)存之前的位置，存儲在cpu_init.S 文件中能夠很好地解決這一問題。cpu_init.S 文件中的內(nèi)存初始化函數(shù)mem_ctrl_asm_init 對DRAM控制器和DDR 做了初始化。識別內(nèi)存的關鍵代碼如下:

0x50000000是第1個32 MB的起始地址，0x52000000是第2個8 M×32 bit的起始地址，對這個兩個地址進行讀寫，先讀它們的內(nèi)存值，如果內(nèi)存值不一樣，說明這兩個區(qū)域不是鏡像，進入內(nèi)存識別后的函數(shù)mem_rec_end 中處理下一步。但是這兩個內(nèi)存值相同這還不能說明內(nèi)存是128 MB，因為存在這兩個值本身就是相同的情況。繼續(xù)進行檢查分析，將一個比較特殊的數(shù)0xdeadbeef 寫到地址0x50000000，接著讀地址0x52000000，如果地址的內(nèi)容相同，就證明這兩個區(qū)域是鏡像的，從而證明內(nèi)存是128 MB，否則就是256 MB。

如果上面的步驟中測試出了鏡像的存在，說明假設內(nèi)存為256 MB是錯誤的，實際內(nèi)存為128 MB，之前的內(nèi)存是根據(jù)256 MB 內(nèi)存配置的，所以必須重新配置內(nèi)存控制器，配置流程如圖1所示。配置內(nèi)存控制器步驟如下[5]:

1)設置DRAM控制器的狀態(tài)為paused;

2)循環(huán)檢測內(nèi)存狀態(tài)寄存器P1MEMSTAT 低兩位，確認DRAM控制器的狀態(tài)paused 狀態(tài);

3)設置DRAM控制器的狀態(tài)為config 狀態(tài);

4)循環(huán)讀內(nèi)存狀態(tài)寄存器P1MEMSTAT 低兩位，確認DRAM控制器的狀態(tài)config 狀態(tài);

5)根據(jù)檢測結果修改內(nèi)存配置寄存器;

6)設置DRAM控制器為運行go 狀態(tài)，重新啟動內(nèi)存;

7)循環(huán)讀內(nèi)存狀態(tài)寄存器P1MEMSTAT 低兩位，確認DRAM控制器的狀態(tài)為ready 狀態(tài)。

圖1 內(nèi)存控制器配置圖

3 實現(xiàn)結果

把自動檢測內(nèi)存容量的機制應用在內(nèi)存為128 MB和256 MB的OK6410 開發(fā)板，識別內(nèi)存容量后，并重新配置內(nèi)存控制器，系統(tǒng)上電后加載U-boot，U-boot 啟動后，內(nèi)存分布如圖2、圖3所示。

圖2 256 MB 內(nèi)存空間分布圖

圖3 128 MB 內(nèi)存空間分布圖

在圖2和圖3中，圖的左邊是U-boot 啟動后分配的內(nèi)存地址，格子里面是內(nèi)存區(qū)域存放的代碼，圖的右邊是各區(qū)域的代碼指針。根據(jù)圖2和圖3可以看出，對于不同容量的內(nèi)存，U-boot 各段代碼代碼存放的內(nèi)存區(qū)域不同，根據(jù)地址的大小和內(nèi)存分配可以看出U-boot 已經(jīng)檢測出內(nèi)存并配置成功，U-boot相同段的內(nèi)容在容量不同的內(nèi)存中分配的地址不盡相同。這說明自動檢測內(nèi)存容量的機制應用在容量為128 MB和256 MB 內(nèi)存的OK6410 開發(fā)板是可行的，這個機制是正確的，且該機制的代碼只需要不到1 k 字節(jié)的存儲空間就實現(xiàn)了這一功能。

4 結束語

本文面向U-boot 設計了一種自動檢測內(nèi)存容量大小的機制，并在基于S3C6410的開發(fā)板OK6410上進行實例驗證。實現(xiàn)這一機制所需要的代碼不到1k 字節(jié)的存儲空間。這一機制使一個U-boot可以支持多個不同內(nèi)存大小的S3C6410 開發(fā)板，減少了開發(fā)人員的工作量。

[1]DENX Software Engineering.Das U-Boot[EB/OL].http://en.wikipedia.org/wiki/Das_U-Boot.2013-07-22.

[2]Mohd Anuar Mat Isa，Nur Nabila Mohamed，Habibah Hashim，et al.A lightweight and secure TFTP protocol for smart environment[C].Kota Kinabalu:Computer Applications and Industrial Electronics，2012:302-306.

[3]周健昌，李振興.基于S3C6410的u-boot 分析與移植[J].電子設計工程，2012，17(20):53-56.

[4]Ding X C，Liao Y G，F(xiàn)u J G，et al.Analysis of Bootloader and Transplantation of U-boot Based on S5PC100 Processor[C].Hangzhou:Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics.2011:61-64.

[5]Samsung.S3C6410X user's manual Rev 1.20[EB/OL].http://www.Samsungsemi.com.2008-08-22.